Модель Большого Взрыва

4. И, наконец, все законы физики, которыми мы описываем окружающий нас мир, просто не работают при попытке описать поведение материи и энергии в первичной сингулярности. Поэтому мы можем описывать лишь то, что произошло уже после Большого Взрыва, а не сам Большой Взрыв или особенно то, что было до него [13].

Конечно, кто-то может возразить, что поскольку пространство и время зародились в момент Большого Взрыва, то говорить о периоде до Большого Взрыва бессмысленно, ведь до просто ничего не было. Однако такое заявление не совсем логично, ведь должно же было быть что-то, что вызвало сам Большой Взрыв.

Если мы признаем существование «космического яйца» как исходной формы Вселенной и его взрыв в нуль-пункт времени, перед нами неизбежно встанет вопрос: а откуда взялось «космическое яйцо»? К несчастью, изучить «космическое яйцо» мы не можем; мы не знаем, какие процессы могли происходить внутри него; мы не имеем ни малейшего представления о том, какие силы могли удерживать его в состоянии устойчивости и какие они порождали изменения, которые, постепенно нарастая, в конце концов внезапно сделали его неустойчивым. 
Если мы спросим себя, в какой форме могла существовать субстанция Вселенной, оставаясь устойчивой бесчисленные миллиарды лет, то, чтобы не напрягать излишне воображения для объяснения этой устойчивости, легче всего нам будет представить себе Вселенную в виде чрезвычайно разреженного газа. В этом случае Вселенная будет чем-то вроде «пустого пространства», которое в настоящее время существует между галактиками, а уж оно-то бесспорно устойчиво. 
Однако и такой чрезвычайно разреженный газ будет испытывать воздействие своего собственного очень слабого поля тяготения. Медленно, на протяжении многих миллиардов лет, газ будет концентрироваться и Вселенная будет сжиматься. По мере повышения плотности субстанции Вселенной поле тяготения соответственно усиливается и в конце концов, по истечении еще многих миллиардов лет, сжатие Вселенной начнет убыстряться. Но сжатие, как указывал еще Гельмгольц, должно нагревать Вселенную и создавать все более и более высокие температуры в веществе, сжимаемом во все меньший и меньший объем. Растущая температура все больше и больше противодействует сжатию, вызываемому тяготением, и начинает это сжатие замедлять. Однако инерция вещества заставляет его сжиматься и после достижения температуры, уравновешивающей тяготение. Наконец, Вселенная сжимается до предела, соответствующего «космическому яйцу» или чему-то в этом роде. В какой-то момент центробежное воздействие температуры и излучения берет верх, вещество Вселенной выталкивается наружу со все нарастающей скоростью и процесс этот завершается Большим Взрывом. Согласно этой точке зрения, Вселенная начинается с состояния практической пустоты, проходит фазу сжатия до максимальной плотности, а затем через фазу расширения вновь возвращается к состоянию пустоты.

Эта модель называется гиперболической Вселенной. Ее можно изобразить графически с помощью ее радиуса кривизны Луч света, бесконечно движущийся во Вселенной, геометрию которой Эйнштейн определил как риманову, опишет гигантскую окружность, радиус которой и будет радиусом кривизны Вселенной. У сжимающейся Вселенной этот радиус будет уменьшаться, у расширяющейся — увеличиваться. В гиперболической Вселенной он будет сначала уменьшаться до минимума, а затем опять увеличиваться [8].

Рисунок 1.3 - Гиперболическая Вселенная

3. Момент Большого Взрыва

Мир пребывал в Золотом яйце.  
Бог Род разорвал изнутри Золотое яйцо  
и начал создавать видимый мир.  
Все, рожденное Родом, до сих пор несет в себе его имя:  
природа, родина, родители, родственники.  
(Славянская мифология. Неолит )

 

Ориентировочно Большой взрыв произошёл 20 млрд лет назад,  него и начался и отсчёт времени.

Момент Большого Взрыва — это момент начала времени. После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10-43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.

Стандартная космологическая модель Большого Взрыва была сформулирована в 1990 году. Ей предшествовали научные открытия, совершенные в XVII-XX веках. Согласно этой модели момент Большого Взрыва характеризовался планковскими величинами для температуры Т, массы М и длины L. На рисунке 1.4 приведены численные значения этих величин.

В начальный момент Вселенная была изотропной и все типы взаимодействий имели единую константу α. Предполагается, что в этот момент вещество существовало в форме кварк-глюонной плазмы, в которой наряду с кварками и глюонами могли присутствовать лептоны, W±- и Z0-бозоны. Возможно, что в этот же момент могли образоваться Х- и Y-бозоны больших масс (~ 1016 ГэВ), которые могли бы впоследствии инициировать распад протона. Эти процессы заняли очень малое время (до 10-10 секунды) и протекали при очень высокой температуре. Под действием взрывных сил Вселенная начала расширяться и ее температура стала падать. По мере расширения Вселенной и падения ее температуры стали происходить фазовые переходы. Первый фазовый переход привел к разделению взаимодействий на сильное и электрослабое, каждое из которых стало характеризоваться своей константой взаимодействия as и aw. Это произошло при температуре T2 = 1015 ГэВ. Далее Вселенная продолжала расширяться со временем t, R = t1/2. Затем наступил второй фазовый переход, который привел к разделению электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Это произошло при температуре T1 = 10 ГэВ. Выделилась константа электромагнитного взаимодействия αе = е2/ћc = 1/137. Дальнейшее расширение Вселенной со временем стало протекать по закону R ~ t2/3 [6].

 

Рисунок 1.4 – Этапы эволюции Вселенной

 

 

  На рисунке 1.5 показаны  изменения температуры расширяющейся  Вселенной со временем для  разных эр ее развития: планковская эра, кварковая эра, лептонная эра, фотонная эра, эра Материи. Этот рисунок иллюстрирует основные моменты развития Вселенной по Стандартной космологической модели Большого Взрыва.

 

Рисунок 1.5 – Изменение температуры Вселенной

 

Большой взрыв был вспышкой энергии. Спустя долю секунды началось охлаждение и образование частиц. Огненный шар начал остывать, превращаясь в густую смесь атомных частиц и образуя газы водород и гелий. Шар начал превращаться в облако материи. Постепенно из этого облака стали рождаться галактики. Спустя несколько тыс. лет туман рассеялся, а температура Вселенной снизилась сего до нескольких тысяч градусов. Через 10 млрд лет в одной из галактик, которую позже учёные назвали Млечным путем, образовались Солнце, Земля и другие планеты Солнечной системы.

Судьба Вселенной во многом зависит от её массы. Многие уверены, что Вселенная содержит намного больше вещества, чем нам удаётся наблюдать, и в настоящее время они пытаются отыскать скрытую массу. Расчёты показывают, что если бы Вселенная состояла только из тех объектов, которые мы видим, то после Большого взрыва она должна была бы расширяться слишком быстро и галактики не смогли бы образоваться.

Если скрытая масса не велика, то вероятно, что Вселенная будет продолжать своё расширение вечно. Но если эта масса очень значительна, то гравитационные силы могут постепенно замедлить расширение и снова начать сжимать вселенную.

На что был похож Большой Взрыв?

Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства (рисунок 1.6), который не произошёл в определённом месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

Рисунок 1.6 – Схема взрыва

 

 

После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10-43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.

Затем расширение замедляется, но первая секунда еще не наступила (еще только 10-32 секунды). В этот момент Вселенная представляет собой кипящий «бульон» (с температурой 1027 °C) из электронов, кварков и других элементарных частиц.

Быстрое остывание космоса (до 1013 °C) позволяет кваркам объединяться в протоны и нейтроны. Тем не менее первая секунда еще не наступила (еще только 10-6 секунды).

На 3 минуте, слишком горячие для объединения в атомы, заряженные электроны и протоны препятствуют испусканию света. Вселенная представляет собой сверхгорячий туман (108 °C).

Спустя 1 млрд. лет после Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигла -200 °C, водород и гелий формируют гигантские «облака», которые впоследствии станут галактиками. Появляются первые звезды.

Большой Взрыв все еще движет пределы нашей Вселенной — она продолжает расширяться и охлаждаться по сей день. Но то, что случилось в Большом Взрыве, который позволил нашей планете в конечном счете сформироваться — все еще тайна [9].

 

4. Развитие Вселенной после Большого Взрыва.

В одном мгновении видеть вечность…

(Уильям Блейк)

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

Сразу после взрыва вещество стало разлетаться во всех направлениях. С тех самых времен плотность вещества и температура уменьшались. Через 400 000 лет после большого взрыва образовались атомы, вселенная стала прозрачна и внешне было похожа на ту, что мы видим сегодня. На самом деле внешний вид той молодей вселенной еще довольно сильно отличался от теперешнего. Вселенная было совершенно темной. Не было ни звезд, ни галактик, ни планет. Только отдельно летающие атомы и реликтовое излучение. Такое существование вселенной продолжалось несколько сотен миллионов лет [2].

Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером.

Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.  
         Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся иод действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис.  

Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.

Межзвездное вещество может вновь начать сжиматься под действием гравитации образуя либо планеты, либо новые звезды – звезды второго поколения. В звездах второго поколения уже присутствуют тяжелые химические элементы – такие как свинец и золото. Образование планет и звезд второго поколения началось примерно через 8 – 9 миллиардов лет после большого взрыва. Наше Солнце и Земля образовались примерно в это время.

 

Таблица 1- Краткая история развития Вселенной

Краткая история развития Вселенной
Время	Температура	Состояние Вселенной
10-45 - 10-37 сек	Более 1026K	Инфляционное расширение
10-6 сек	Более 1013K	Появление кварков и электронов
10-5 cек	1012K	Образование протонов и нейтронов
10-4 сек - 3 мин	1011 - 109 K	Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
400 тыс. лет	4000 К	Образование атомов
15 млн. лет	300 K	Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет	20 K	Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет	10 K	Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет	3 K	Появление планет и разумной жизни
1014 лет	10-2 K	Прекращение процесса рождения звезд
1037 лет	10-18 K	Истощение энергии всех звезд
1040 лет	-20 K	Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
10100 лет	10-60 - 10-40 K	Завершение испарения всех черных дыр